任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法。本发明专利技术通过建立棱柱体磁性体模型、并对所得棱柱体磁性体模型中的各个棱柱体的磁场梯度张量进行计算后，累加得到磁性体模型的整体磁场梯度张量。本发明专利技术提供的方法能同时保证磁场模拟计算的效率和精度，满足了大规模数据三维磁化率精细反演、人机交互建模和解释的需求；该方法还实现了场源内部磁场梯度张量精确数值模拟，有助于开展磁法勘探井地联合反演的研究。

Numerical simulation of magnetic gradient tensor of complex magnetic field with arbitrary magnetic susceptibility distribution

The present invention provides a numerical simulation method for magnetic field gradient tensor of complex magnetic field with arbitrary magnetic susceptibility distribution. The invention establishes a prism model, the magnetic body and the magnetic gradient tensor of each prism prism the magnetic body in the model were calculated after the cumulative overall magnetic gradient tensor magnetic model. The method provided by the invention can ensure the magnetic simulation precision and efficiency, to meet the large-scale 3D fine magnetic susceptibility inversion, interactive modeling and interpretation of the demand; the method also realizes the simulation of the internal magnetic field gradient tensor field source accurate value, research is helpful to the development of magnetic exploration joint inversion.

【技术实现步骤摘要】
任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法
本专利技术涉及磁场梯度张量数值模拟方法
，具体的涉及一种任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法。
技术介绍
磁法勘探是地球物理勘探中一种重要的技术手段，在区域地质调查、普查找矿工作中发挥着重要作用。该方法通过测量由岩石、矿石等磁性体的磁化率差异所引起的磁异常，对测量数据进行反演、解释，进而研究地质构造和矿产资源的分布规律。随着传感器技术的不断发展，磁场梯度张量测量技术日渐成熟。相比磁异常和磁场三分量，磁场梯度张量具有更高的分辨率。利用磁场梯度张量数据进行反演、解释，是磁法勘探的重要研究方向。磁性体磁场梯度张量的数值模拟是进行反演的基础。任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量快速、高精度数值模拟一直是个难点问题。针对磁场数值模拟，众多国内外学者进行了研究。数值模拟首先对研究区域进行剖分，然后根据剖分方式，采用某种方法计算磁场。文献(姚长利,郝天珧,管志宁,张聿文.重磁遗传算法三维反演中高速计算及有效存储方法技术.地球物理学报,2003.46(2):252-258.)采用结构化剖分方式，根据离散化后数学问题的特点，提出了“格架分离”技术和“格架等效计算方案”，较好解决了计算效率和计算精度问题，但对于大规模剖分情形，该文献所给出的数值模拟方法的计算效率仍然比较低；文献(Tontini,F.C.,L.Cocchi,C.Carmisciano.Rapid3-DforwardmodelofpotentialfieldswithapplicationtothePalinuroSeamountmagneticanomaly(southernTyrrhenianSea,Italy).JournalofGeophysicalResearch,2009.114.)采用结构化剖分方法，采用三维傅里叶变换，给出了任意密度或者磁化率分布情形下重磁数值模拟的波数域表达式，借助三维快速傅里叶变换算法，实现了快速数值模拟，该方法效率极高，但为克服截断效应，使用该方法前需要对剖分区域进行扩边，影响了数值模拟精度；文献(Wu,L.,Tian,G.High-precisionFourierforwardmodelingofpotentialfields.Geophysics,2014,79(5):G59-G68.)提出了一种重磁数值模拟的Gauss-FFT方法，该方法有效克服了传统傅里叶变换方法的截断效应问题，提高了数值模拟精度，但计算效率降低，且计算场源内部磁场时误差比较大。剖分方式和计算方法共同决定了数值模拟的效率和精度。数值模拟的效率和精度是一对矛盾体，目前已有的数值模拟方法存在的最大问题是不能同时保证计算效率和精度，无法满足大规模数据三维磁化率精细反演、人机交互建模和解释的需求；同时，目前的方法不能准确计算场源内部的磁场梯度张量，不能满足井地联合反演的需求。因此，寻找一种计算效率高、同时能保证计算精度、且能精确计算全空间磁场梯度张量的数值模拟方法具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法，该专利技术解决了目前磁场梯度张量数值模拟方法计算精度低、计算时间长，不能准确计算场源内部磁场，无法满足大规模观测数据精细反演、人机交互建模解释和井地联合反演需求的技术问题。本专利技术提供了一种任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法，包括以下步骤：步骤S100：建立包含目标区域的棱柱体模型，将棱柱体模型剖分为多个棱柱体，对各棱柱体设置磁化率，并计算各棱柱体的磁化强度得到组合棱柱体模型；步骤S200：按公式(5)采用二维离散卷积法计算各层棱柱体的磁场梯度张量其中，表示第r层(r＝1,2,…,L)棱柱体在高度面z0产生的磁场梯度张量，my(ξp,ηq,ζr)为坐标为(ξp,ηq,ζr)的棱柱体在x方向的磁化强度分量、my(ξp,ηq,ζr)为坐标为(ξp,ηq,ζr)的棱柱体在y方向的磁化强度分量，mz(ξp,ηq,ζr)为坐标为(ξp,ηq,ζr)的棱柱体在z方向的磁化强度分量，hxz(xm-ξp,yn-ηq,z0-ζr)为磁化强度XZ分量的加权系数、hyz(xm-ξp,yn-ηq,z0-ζr)为磁化强度YZ分量的加权系数、hzz(xm-ξp,yn-ηq,z0-ζr)为磁化强度ZZ分量的加权系数，M为目标区域x方向棱柱体的剖分个数，N为目标区域y方向棱柱体的剖分个数；步骤S300：按公式(16)累加各层棱柱体的磁场梯度张量得到组合棱柱体模型的模拟磁场梯度张量其中，L表示目标区域z方向棱柱体剖分个数。进一步地，加权系数按公式(6)～(8)计算：其中，(xm,yn,z0)为观测点坐标，z0为常值；x1＝ξp-0.5Δx-xm，x2＝ξp+0.5Δx-xm，y1＝ηq-0.5Δy-yn，y2＝ηq+0.5Δy-yn，z1＝ζr-0.5Δz-z0，z2＝ζr+0.5Δz-z0，μijk＝(-1)i(-1)j(-1)k，i＝1,2，j＝1,2，k＝1,2。进一步地，棱柱体模型为规则棱柱型。进一步地，根据目标区域的磁化率分布将每个棱柱体的磁化率设置为常值，并将位于目标区域空气部分的棱柱体的磁化率设为零。进一步地，棱柱体磁场强度的计算方法包括以下步骤：步骤S110：根据地球主磁场模型IGRF，计算棱柱体中心点的地球主磁场X轴的分量Tx(ξp,ηq,ζr)、Y轴的分量Ty(ξp,ηq,ζr)、Z轴的分量Tz(ξp,ηq,ζr)；步骤S120：按式(1)(2)(3)计算磁化强度mx(ξp,ηq,ζr)＝χ(ξp,ηq,ζr)Tx(ξp,ηq,ζr)(1)my(ξp,ηq,ζr)＝χ(ξp,ηq,ζr)Ty(ξp,ηq,ζr)(2)mz(ξp,ηq,ζr)＝χ(ξp,ηq,ζr)Tz(ξp,ηq,ζr)(3)其中，(ξp,ηq,ζr)表示目标区域中编号为(p,q,r)的棱柱体几何中心坐标，χ(ξp,ηq,ζr)表示该棱柱体的磁化率值，Tx(ξp,ηq,ζr)表示(ξp,ηq,ζr)处地球主磁场的X轴上的分量、Ty(ξp,ηq,ζr)表示(ξp,ηq,ζr)处地球主磁场的Y轴上的分量、Tz(ξp,ηq,ζr)表示(ξp,ηq,ζr)处地球主磁场的Z轴上的分量，mx(ξp,ηq,ζr)表示(ξp,ηq,ζr)处磁化强度的X轴上的分量，my(ξp,ηq,ζr)处磁化强度的Y轴上的分量、mz(ξp,ηq,ζr)处磁化强度的Z轴上的分量。本专利技术的技术效果：1、本专利技术提供的任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法，通过建立包含所有目标区域的规则棱柱体模型，使得目标区域(包含起伏地形)能完全嵌入在该棱柱体模型中，能很容易地刻画任意磁化率分布复杂磁性体以及起伏地形，从而提高后续模型模拟的计算精度；而且所构建模型剖分方法简单、灵活，能提高模拟效率。2、本专利技术提供的任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法，能够实现磁场梯度张量的快速、高精度数值模拟，可以满足大规模数据三维磁化率精细反演、人机交互建模和解释的需求；3、本专利技术提供的任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法，用于处理大规模数值模拟时，不但计算效率和计算精度高，并且所需计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：建立包含目标区域的棱柱体模型，将所述棱柱体模型剖分为多个棱柱体，对各所述棱柱体设置磁化率，并计算各所述棱柱体的磁化强度得到组合棱柱体模型；步骤S200：按公式(5)采用二维离散卷积法计算各层棱柱体的磁场梯度张量

【技术特征摘要】
1.一种任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：建立包含目标区域的棱柱体模型，将所述棱柱体模型剖分为多个棱柱体，对各所述棱柱体设置磁化率，并计算各所述棱柱体的磁化强度得到组合棱柱体模型；步骤S200：按公式(5)采用二维离散卷积法计算各层棱柱体的磁场梯度张量其中，表示第r层(r＝1,2,…,L)棱柱体在高度面z0产生的磁场梯度张量，my(ξp,ηq,ζr)为坐标为(ξp,ηq,ζr)的棱柱体在x方向的磁化强度分量、my(ξp,ηq,ζr)为坐标为(ξp,ηq,ζr)的棱柱体在y方向的磁化强度分量，mz(ξp,ηq,ζr)为坐标为(ξp,ηq,ζr)的棱柱体在z方向的磁化强度分量，hxz(xm-ξp,yn-ηq,z0-ζr)为磁化强度XZ分量的加权系数、hyz(xm-ξp,yn-ηq,z0-ζr)为磁化强度YZ分量的加权系数、hzz(xm-ξp,yn-ηq,z0-ζr)为磁化强度ZZ分量的加权系数，M为目标区域x方向棱柱体的剖分个数，N为目标区域y方向棱柱体的剖分个数；步骤S300：按公式(16)累加各层棱柱体的磁场梯度张量得到组合棱柱体模型的模拟磁场梯度张量其中，L表示目标区域z方向棱柱体剖分个数。2.根据权利要求1所述的任意磁化率分布复杂磁性体磁场梯度张量数值模拟方法，其特征在于，所述加权系数按公式(6)～(8)计算：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙伟，张钱江，强建科，戴世坤，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43